基於超快橢偏儀的瞬態衝擊回響測量理論與方法研究

《基於超快橢偏儀的瞬態衝擊回響測量理論與方法研究》是依託華中科技大學，由江浩擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於超快橢偏儀的瞬態衝擊回響測量理論與方法研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：江浩
• 依託單位：華中科技大學

項目摘要

衝擊波載入是在材料內部產生高溫、高壓、高應變率等極端條件的重要技術手段，對材料物理、武器和地球科學等領域研究具有重要意義。傳統基於干涉的超快測量技術只能測量衝擊面位移或速度，無法測量材料內部狀態的變化歷程，從而無法完整地獲得材料在衝擊波作用下的動力學回響特性。為此，本項目提出以超快啁啾脈衝雷射作為探測光源代替傳統橢偏儀的非相干光源，使之具有皮秒時間解析度的橢偏參數測量能力，進而開展基於超快橢偏的動力學測量理論與方法探索性研究。強調超快橢偏參數測量在衝擊動力學研究中的重要性，重點開展衝擊波和材料相互作用機理、瞬態衝擊動力學測量原理、衝擊波作用下材料光學特性參數與動力學參數的魯棒提取和不確定度評估方法、以及相關實驗研究。通過這些探索性研究，為深入認識和解釋基於超快橢偏儀的瞬態衝擊回響測量提供理論基礎，進而豐富套用光學和光學精密測量基礎理論的學術研究，推動我國極端條件下精密測量技術的完善和發展。

結題摘要

橢偏儀是一種用於納米薄膜材料光學特性表征與膜厚測量的重要測量設備，具有非破壞性、超高靈敏度、無需參考物等優點。但是，其單次測量時間通常大於數秒，難以滿足動態衝擊過程測量中超高時間分辨的要求。以干涉測量為基礎的測量手段雖然能夠通過利用超短脈衝雷射實現材料衝擊過程超高時間解析度的動態測量，但其只能測量衝擊波速度或位移，無法獲取受衝擊壓縮後材料的物性變化。鑒於此，本項目提出並研製了一種超快橢偏干涉測量系統，其將傳統光譜橢偏測量技術與啁啾脈衝頻域干涉技術相結合，藉由具有啁啾特性的參考偏振光與待測樣品表面反射的探測偏振光進行頻域干涉，以獲得二維相移譜和反射係數譜，結合衝擊波在材料中的傳播特性和衝擊波載入下材料光學屬性的理論模型，從而準確重構出衝擊波載入下材料的動力學參數和光學常數。在超短脈衝雷射誘導衝擊波與靶材相互作用正向建模方面，構建了基於雙溫方程的超快動力學模型，並提出了三維時空場中交替方向型有限差分的數值求解算法，有效獲得了靶材內部的動態應力應變場、動態晶格溫度與電子溫度場、動態反射率和吸收率場。提出了一種基於全局搜尋匹配的相移曲線和反射係數擬合算法，準確獲取特定物性參數，避免擬合結果陷入局部最小值的偽解阱中，實現了衝擊動力學參數和動態光學屬性準確逆向提取。針對超快橢偏干涉測量系統的系統參數與配置參數，建立了考慮儀器誤差和模型誤差的廣義誤差傳播模型，定量評估了所測參數的不確定度，並據此提出了系統測量配置參數的最佳化方法，確保了所測物理量的準確性與魯棒性。在此基礎上開展了實驗研究，實現了超短脈衝雷射泵浦衝擊波載入下Al靶材的衝擊波速度和波後粒子速度、透明聚碳酸酯薄膜的衝擊動力學參數和光學常數等物理量的準確測量，闡明了超快橢偏干涉測量系統在極端條件下材料物性研究中的套用潛力，有望作為新的計量手段以推動極端條件下重大科學問題的攻關。